Wykorzystanie bada eye-trackingowych do analizy procesu rozwi zywania testowego zadania matematycznego jednokrotnego wyboru

Transkrypt

1 Bo ena RO EK Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, Polska Wykorzystanie bada eye-trackingowych do analizy procesu rozwi zywania testowego zadania matematycznego jednokrotnego wyboru Wst p Przegl d aktualnych bada eye-trackingowych z lat przedstawili w swojej pracy tajwa scy badacze [Lai, Tsai, Yang, Hsu, Liu, Lee S.W., Lee M.H, Chiou, Liang & Tsai 2013]. Autorzy wskazuj na szerokie zastosowanie eye-trackera w badaniach naukowych dotycz cych analizy procesów poznawczych, takich jak uwaga, percepcja i wyobra nia wzrokowa, czytanie tekstu, a tak e rozwi zywania problemów. Zainteresowanie t metod wzrasta tak e w ród polskich badaczy, m.in. w neurobiologii [Ober 2009], w procesach poznania translatorycznego [Płu yczka 2012], a wyniki bada wskazuj na nowe mo liwo ci eksperymentalne tak e w zakresie edukacji [Błasiak, Godlewska, Rosiek, Wcisło 2013; Nowakowska-Buryła, Jo ski 2012]. Jednak e obecnie nie ma w Polsce prac opisuj cych badania z wykorzystaniem eye-trackera w zakresie dydaktyki matematyki. Zastosowanie omawianego urz dzenia wydaje si by szczególnie uzasadnione w badaniach nad procesem rozwi zywania zada matematycznych, które wymagaj wzrokowej analizy danych zamieszczonych na rysunku. 1. Zarys działania układu wzrokowego Układ wzrokowy rozpoznaje obrazy na poziomie pod wiadomym sposobem w drówki po drzewie i jest on zdolny do wyodr bniania ogólnych cech zobrazowania, które tworz pewien obraz uogólniony: kiedy cechy uogólnione trafi do pami ci krótkotrwałej, znajduj si tam dokładnie jedn czwart sekundy, a w tym czasie pami długotrwała, podstawowa bada pami krótkotrwał, porównuje jej zawarto z tym, co znajduje si w zasobach długotrwałych [Demidow 1989: 50]. Mo na powiedzie, e oko jest systemem jednoobrazowym. W danym momencie potrafi rozpozna tylko jeden obraz, by przej do nast pnego. Taki intensywny ruch oka to sakkady, czyli intensywne ruchy gałki ocznej zwi zane ze skokowym przenoszeniem linii wzroku na te punkty otoczenia wzrokowego, w których dost pna jest informacja potrzebna dla aktualnie 384

2 realizowanego zadania poznawczego [Ober, Dylak, Gryncewicz, Przedpelska- -Ober 2009: 111]. Badania bezsprzecznie potwierdzaj, e ruch oczu odzwierciedla prac mózgu. Przykładowo droga oczu szachisty jest ró na w zale no ci od nastawienia albo znajd rozwi zanie, albo oce poło enie i okre l, która pozycja jest silniejsza. W trakcie w drówki oko zatrzymuje si na moment na pewnych elementach obrazu, jest to tzw. zjawisko fiksacji polegaj ce na wzgl dnym spoczynku oka poł czonym z patrzeniem w konkretnym kierunku. Wzrok zatrzymuje si tylko na niektórych fragmentach obrazu, wła nie na maksimach informacji. Skoki oczu stanowi przystosowanie ograniczonej pojemno ci organu wzrokowego do niesłychanego nasycenia informacyjnego otaczaj cego nas wiata [Demidow 1989: 80]. Nie oznacza to jednak, e nie widzimy fragmentów obrazu, na których wzrok si nie zatrzymuje. Mózg odtwarza i uzupełnia te fragmenty poprzez wykorzystanie milionów obrazów, które wcze niej przeszły przed oczami i odło yły si w naszej pami ci. Im obszerniejszy jest magazyn naszych zasobów wra e wzrokowych, tym pełniej odbieramy nowe wra enia, z którymi spotyka si oko, tym wi ksze s nasze mo liwo ci widzenia. 2. Metodologia bada Celem bada była wst pna charakterystyka sposobów rozwi za matematycznego zadania testowego jednokrotnego wyboru wymagaj cego dokonania analizy rysunku. Badania zostały przeprowadzone przez nowo powstał Grup Badawcz Dydaktyki Kognitywnej Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie. Metod badawcz była okulografia (eye-tracking). Rejestracja ruchu gałki ocznej odbywała si za pomoc stacjonarnego eye-trackera iviewx Hi- Speed500/1250 rejestruj cego strumie danych z rozdzielczo ci czasow 500 Hz. Analiza uzyskanych danych była mo liwa dzi ki oprogramowaniu BeGaze. Grupa badawcza była zró nicowana pod wzgl dem do wiadczenia matematycznego. Analizowano wyniki bada 99 osób, w tym: 24 uczniów I klasy krakowskiego liceum (Uczniowie); 62 studentów UP Kraków kierunku informatyki lub matematyki studiów I stopnia (Studenci), 13 ekspertów (9 doktorantów fizyki i 4 osoby z tytułem co najmniej doktora nauk cisłych) (Eksperci). Zadanie matematyczne, które rozwi zywali badani, było nast puj ce (rys. 1): 385

3 Rys. 1. Zadanie matematyczne Badani rozwi zywali zadanie patrz c na slajd wy wietlony na ekranie komputera, nie mieli mo liwo ci wykonywania pisemnych oblicze oraz rysowania. Poprzez klikni cie myszk jednej z pi ciu liczb umieszczonych na slajdzie pod rysunkiem (oznaczonych w analizie bada jako odpowiedzi A, B, C, D i E) wskazywali rozwi zanie, które uwa ali za poprawne. 3. Wyniki i analiza bada Procentowe zestawienie rodzaju udzielonej odpowiedzi przez badanych przedstawia diagram (rys. 2). Okazało si, e jedynie 15% osób wskazało prawidłow odpowied D, stwierdzaj c, e szósta piramida b dzie zło ona z 28 kół. 15% 3% A 14% 9% 59% B C D E Rys. 2. Procentowe zestawienie rodzaju udzielonej odpowiedzi przez badanych Z diagramu wynika tak e, e najcz ciej wybieran odpowiedzi a przez ponad połow respondentów była odpowied A, czyli liczba kół czwartej piramidy. Postanowiono zatem przeanalizowa wyniki bada zarejestrowane przez eye-tracking, które pozwol scharakteryzowa sposoby rozwi zywania zadania przez dwie grupy: 386

4 Gr. z odp. A grup osób, która jako rozwi zanie zadania wskazuje liczb elementów czwartej piramidy, Gr. z odp. D grup osób, która wskazuje poprawne rozwi zanie zadania, czyli liczb elementów szóstej piramidy. Wyniki bada wskazuj, i osoby wskazuj ce odpowied A jako poprawn nie u wiadomiły sobie istotnego warunku zadania uj tego w tekstowej instrukcji zadania zawartej w słowie szósty. Pomijaj c warunek zadania zawarty w słowie szósty, odpowied A staje si sensown odpowiedzi zwi zan z podaniem liczby kół kolejnej, czwartej figury. Analizuj c w obu wyró nionych grupach indywidualne cie ki wzroku (scan path) ka dego badanego udzielaj cego odpowied A (Gr. odp. A) oraz ka dego badanego udzielaj cego odpowied D (Gr. odp. D), udało si wyró ni elementy charakteryzuj ce drog rozwi zania osób z ka dej z rozwa anych grup: dla osób z Gr. odp. A: szczegółowa wzrokowa analiza liczbowej regularno- ci sprowadzała si do analizy struktury trzech narysowanych piramid (takie podej cie badanego odrzuca jednocze nie hipotez wyboru pierwszej z lewej odpowiedzi na drodze metody na chybił trafił ). Przykładowa, charakterystyczna cie ka wzroku dla osób z tej grupy jest ilustrowana na rys. 3 widoczne nast puj ce po sobie linie ci głe to sakady, a widoczne koła o ró nej rednicy to fiksacje im wi ksza rednica koła tym dłu ej trwała fiksacja. dla osób z Gr. odp. D: szczegółowa wzrokowa analiza liczbowej regularno- ci figur jest wyra nie poszerzona na pola wykraczaj ce poza trzy narysowane piramidy i widoczne s koncentracje wzroku w postaci licznych fiksacji na polach poza obszarem narysowanych figur (tzn. w miejsca poło enia kolejnych wyobra onych figur w ci gu). Przykładowa, charakterystyczna cie ka wzroku dla osób z tej grupy jest ilustrowana na rys. 4. Rys. 3. Scan path (P 90) Gr. odp. A Rys. 4. Scan path (P 81) Gr. odp. D Charakterystyka omawianych grup mo e by wzmocniona przez kolejne statystyczne zestawienia parametrów wyników uzyskanych w trakcie bada. Dla szczegółowych analiz statystycznych zdefiniowano dla slajdu omawianego zadania 13 obszarów zainteresowa (AOI) prezentowanych na rys. 5: 387

5 Rys. 5. Zdefiniowane obszary zainteresowa AOI Ka dy obszar był charakteryzowane przez parametry ró nego typu, takie jak czas przebywania, redni czas fiksacji, rednia liczba fiksacji czy liczba rewizyt do danego pola. W szczególno ci zestawienie czasów przebywania (dwell time) w zdefiniowanych polach zainteresowa AOI 006, 008, 009 (trzy kolejne prostok ty poza rysunkami piramid) potwierdzaj przedstawion powy ej charakterystyk rozwi za zadania przez rozwa ane grupy. Otó całkowity czas przebywania ł cznie dla tych trzech obszarów wyniósł dla Gr. odp. A jedynie 2,7%, natomiast dla Gr. odp. D stanowi ł cznie 8,7%, czyli był trzykrotnie dłu szy. Podsumowanie Z wyników bada zwi zanych z rozwi zywaniem testowego zadania jednokrotnego wyboru odpowiedzi mo na stwierdzi, e specyficzny typ zadania mógł spowodowa pewnego typu pułapk. Zwró my uwag, e odpowied A mo na by uzna za odpowied poprawn w zadaniu, w którym nie wyst powałoby słowo szósta. Innymi słowy, skre lenie informacji tekstowej szósta powoduje, i w domy le chodzi o liczb kół kolejnej figury i wówczas odpowiedzi poprawn na tak zmodyfikowane pytanie byłaby odpowied A. Specyfika tego zadania polegała na tym, e znaczna cz istotnych warunków zadania była zawarta w rysunku. Wyniki bada wyra nie wskazywały, e rysunek ten tak mocno przykuł uwag wzrokow badanych, e ponad połowa z nich nie u wiadomiła sobie warunku zawartego w tek cie zadania. Ponadto rysunek mocno sugerował, jakiej odpowiedzi mo na by oczekiwa. Gł bsze badania eye-trackingowe nad testowymi zadaniami matematycznymi, które zamieszczane s na egzaminach zewn trznych w postaci tzw. zada zamkni tych, pozwol opisywa inne mechanizmy poznawcze osób rozwi zuj cych ró ne typy zada. 388

6 Literatura Błasiak W., Godlewska M., Rosiek R., Wcisło D. (2013), Eye tracking: nowe mo liwo ci eksperymentalne w badaniach edukacyjnych, Edukacja Technika Informatyka, nr 4/ Demidow W. (1989), Patrze i widzie, Warszawa. Lai M.L., Tsai M.J., Yang F.Y., Hsu C.Y., Liu T.C., Lee S.W., Lee M.H., Chiou G.L., Liang J.C. & Tsai C.C. (2013), A review using eye-tracking technology in exploring learning from 2000 to 2012, Educational Research Review, 10. Nowakowska-Buryła I., Jo ski T. (2012), Eye-trackingowe badania prezentacji multimedialnych konstruowanych dla wspomagania edukacji wczesnoszkolnej [w:] Media Edukacja Kultura. W stron edukacji medialnej, red. W. Skrzydlewski, S. Dylak, Pozna Rzeszów. Ober J., Dylak J., Gryncewicz W., Przedpelska-Ober E. (2009), Sakkadometria nowe mo liwo ci oceny stanu czynno ciowego o rodkowego układu newowego, Nauka, nr 4. Płu yczka M. (2012), Na co patrzy, a co widzi tłumacz a vista? Translatoryczne mo liwo ci poznawcze okulografii, Lingwistyka Stosowana, nr 5. Streszczenie W artykule przedstawiono fragment bada, w których wykorzystano urz dzenie eye-tracker słu ce do ledzenia ruchu gałki ocznej osoby badanej. Nowoczesne urz dzenia pomiarowe umo liwiaj rozszerzenie zakresu bada empirycznych w obr bie ró norodnych dziedzin nauki. Coraz wi ksza dost pno technologicznie zaawansowanych urz dze wzbudza zainteresowanie metod eye-trackingow w zakresie edukacji tak e w ród polskich badaczy. Zastosowanie tej metody wydaje si by uzasadnione szczególnie w badaniach nad procesem rozwi zywania zada matematycznych, które wymagaj wzrokowej analizy danych zamieszczonych na rysunku. Celem prezentowanych w artykule bada była analiza visual attention podczas rozwi zywania testowego zadania matematycznego przez osoby o ró nym do wiadczeniu matematycznym. Słowa kluczowe: eye-tracking, uwaga wzrokowa, rozwi zywanie zadania matemtycznego, edukacja matematyczna. Implementation of eye-tracking research to analyse the proces solving single-choice mathematical task Abstract The article will present a part of the research in which was used a device called an eye-tracker applied for tracing eyeball movoments of a tested person. At present modern measurement instruments enable broadening of the realm the 389

7 empirical research in various fields of science. Rising availability of technologically advanced devices arouses interest a eye-tracking method in education also among Polish researchers. The application of the mentioned method seems to be particularly justified in the research on the process of solving mathematical tasks which require visual analysis of the data presented graphically. This study mainly aimed at the analysing visual attention during solving a mathematical single-choice task by of different mathematical experience. Key words: eye tracking, visual attention, solving mathematical tasks, mathematical education. 390